碳纳米管/聚合物杂化材料的制备与微结构研究

摘要

本文主要研究了新型碳纳米管基链转移剂、碳纳米管基大分子引发剂的分子设计、合成与表征，以及它们在碳纳米管表面活性/可控自由基聚合接枝系列聚合物中的应用。主要内容如下： 1．设计、合成并表征了新型的碳纳米管基大分子链转移剂。MWNTs(多壁碳纳米管)经硝酸氧化后，在表面引入．COOH(MWNT-COOH)，经酰氯化后，表面．COOH转化为-COCl(MWNT-COCI)。高反应活性的-COCl再与HEBrIB(溴代异丁酸乙二醇酯)反应，获得溴化的MWNTs(MWNT-Br)。MWNT-Br与PhC(S)SMgBr(二硫代酯溴镁)反应，这样就把RAFT试剂固载在MWNTs表面(MWNT-SC(S)Ph)。TGA测试表明RAVT试剂相对于碳元素的摩尔含量约为0.77mol％。 2．利用合成的碳纳米管基链转移剂，通过表面原位RAFT聚合方法，在MWNTs表面接枝PS(聚苯乙烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PMMA-b-PS(聚甲基丙烯酸甲酯与聚苯乙烯的嵌段共聚物)。MWNTs/聚合物杂化材料的分子结构及组成通过FTIR，NMR和XPS进行了表征。TGA测试表明接枝聚合物量可以通过单体与链转移剂之间的投料比来调控，这说明反应是可控的。MWNTs表面接枝聚合物后，可溶于接枝聚合物的良溶剂中，且接枝程度影响它的溶解稳定性。TEM和SEM图像均直接证实MWNTs表面共价接枝了聚合物相。这就为碳纳米管的加工应用奠定了基础。 3．利用合成的碳纳米管基链转移剂，通过表面原位RAFT聚合方法，在MWNTs表面接枝热敏性聚合物PNIPAM(聚N-异丙基丙烯酰胺)。MWNTs/聚合物杂化材料的分子结构及组成通过FTIR，NMR和XPS进行了表征。TGA测试表明接枝聚合物量可以通过单体与链转移剂之间的投料比来调控，这说明反应是可控的。TEM和SEM图像均直接证实MWNTs表面共价接枝了聚合物。且MWNT-PNIPAM杂化材料具有与本体PNIPAM相似的热响应性质。接着，我们以接枝PS的MWNTs为链转移剂(MWNT-PS)，进一步引发N-异丙基丙烯酰胺聚合，在MWNTs表面接枝PS-b-PNIPAM嵌段共聚物。杂化材料的分子结构及组成通过FTIR，NMR和XPS进行了表征。TGA测试表明接枝聚合物量可以通过聚合时间来调控，这说明反应是可控的。MWNT-PS-b-PNIPAM杂化材料也具有与本体PNIPAM相似的热响应性质。这就进一步拓展了碳纳米管在化学阀、吸附分离、传感器及药物释放体系等领域中的应用。 4．利用合成的碳纳米管基大分子引发剂(MWNT-Br)在MWNTs表面接枝热敏性聚合物PNIPAM。MWNTs／聚合物杂化材料的分子结构及组成通过FTIR，NMR和XPS进行了表征。TGA测试表明接枝聚合物量可以通过聚合时间来调控，这说明反应是可控的。TEM和SEM图像均直接证实MWNTs表面共价接枝了聚合物相。微热DSC测试表明MWNT-PNIPAM具有与本体PNIPAM相似的热响应性质。杂化材料的LCST(低临界溶液温度)在升温时约为33℃，降温时约为31℃(升，降温速率均为1℃/min)。

目录

文摘

英文文摘

中国科学技术大学学位论文相关声明

第一章绪论

1.1碳纳米管的结构

1.2碳纳米管的性质

1.3化学功能化碳纳米管

1.4碳纳米管的应用

1.5本文的主要研究内容

参考文献

第二章碳纳米管基大分子链转移剂的合成与表征

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1原料和试剂

2.2.2 HEBrIB的合成

2.2.3 MWNT-Br的合成

2.2.4 MWNT-SC(S)Ph的合成

2.2.5仪器与表征

2.3结果与讨论

2.3.1 HEBrIB的合成

2.3.2 MWNT-SC(S)Ph的合成与表征

2.4本章小结

参考文献

第三章碳纳米管表面接枝聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯及其共聚物的合成与表征

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1原料和试剂

3.2.2 MWNT-PS的合成

3.2.3 MWNT-PMMA的合成

3.2.4 MWNT-PMMA-b-PS的合成

3.2.5仪器与表征

3.3结果与讨论

3.3.1 MWNT-PS的合成与表征

3.3.2 MWNT-PMMA的合成与表征

3.3.3 MWNT-PMMA-b-PS的合成与表征

3.4本章小结

参考文献

第四章碳纳米管表面接枝聚异丙基丙烯酰胺及含此嵌段的两亲共聚物的合成与表征

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1原料和试剂

4.2.2 MWNT-PNIPAM的合成

4.2.3 MWNT-PS-b-PNIPAM的合成

4.2.5仪器与表征

4.3结果与讨论

4.3.1 MWNT-PNIPAM的合成与表征

4.3.2 MWNT-PNIPAM的温度响应性

4.3.3 MWNT-PS-b-PNIPAM的合成与表征

4.3.4 MWNT-PS-b-PNIPAM的温度响应性

4.4本章小结

参考文献

第五章聚异丙基丙烯酰胺在碳纳米管表面的原子转移自由基聚合

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1原料和试剂

5.2.2 HEBrIB的合成

5.2.3MWNT-COOH的合成

5.2.4 MWNT-Br的合成

5.2.4 MWNT-PNIPAM的合成

5.2.5仪器与表征

5.3结果与讨论

5.3.1 MWNT-Br的合成与表征

5.3.2 MWNT-PNIPAM的合成与表征

5.3.3 PNIPAM壳层的温度响应性

5.4本章小结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成的学术论文